Az új törvény felszámolja az integráció korlátozását

Az EPFL fizikusai egy jelentős európai együttműködés keretében felülvizsgálták az egyik alapvető törvényt, amely több mint három évtizede központi szerepet játszik a plazma- és fúziós kutatásban, még az olyan megaprojektek tervezését is szabályozva, mint az ITER. A frissítés azt mutatja, hogy valóban biztonságosan felhasználhatunk több hidrogén üzemanyagot a fúziós reaktorokban, így több energiához jutunk, mint azt korábban gondolták.

A fúzió a jövő energiaforrásainak egyik legígéretesebb forrása. Két atommagot foglal magában, amelyek egy atommaggá egyesülnek, így hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. Valójában tesztelünk fúzió Minden nap: a nap melegéből jön hidrogén atommagok Fúzió nehezebb hélium atomokká.

Jelenleg folyik egy hatalmas nemzetközi fúziós kutatási projekt, az ITER, amelynek célja a Nap fúziós folyamatainak megismétlése, hogy energiát állítson elő a Földön. Célja olyan magas hőmérsékletű plazma előállítása, amely megfelelő környezetet biztosít a fúzió létrejöttéhez és az energiatermeléshez.

A plazma – az ionizált anyag gázszerű állapota – pozitív töltésű atommagokból és negatív töltésű elektronokból áll, és milliószor kisebb sűrűségű, mint a belélegzett levegő. A plazma a „fúziós tüzelőanyag” elnyomásával jön létre –hidrogénatomok– rendkívül magas hőmérsékletre (a Nap magjának hőmérsékletének 10-szerese), ami az elektronok elválasztására kényszeríti atommagok. A folyamat egy fánk alakú („gyűrűs”) szerkezetben, az úgynevezetttokamak. „

– mondja Paolo Ricci, a Swiss Plasma Center munkatársa, amely a világ egyik vezető fúziós kutatóintézete az EPFL-ben.

A gázáramlás időbeli követése, a Thomson-szórásból származó elektronsűrűség, a sugárzás intenzitása és a JET #80823 kisülés mágneses perturbációi A MARFE eseményt a mért sugárzás erős növekedése határozza meg az X pont felett. A MARFE kezdete megelőzi a zárt mód, ami végül plazmaperturbációhoz vezet. A piros szaggatott függőleges vonal a MARFE kezdetének idejét, t_M ≃ 20,9 mp. Az N = 1 zárolt mód 21,95 másodpercnél kezdődik, míg a deaktiválási idő 21,1 másodpercnél kezdődik. hitel: Fizikai áttekintő levelek (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.185003

Egy jelentős európai együttműködéssel Ricci csapata most kiadott egy tanulmányt a plazmatermelés alapelvének aktualizálására – és annak bemutatására, hogy a készülő ITER tokamak valójában kétszer annyi hidrogénnel tud működni, és így több fúziós energiát termel, mint azt korábban gondolták.

„A tokamak belsejében lévő plazma előállításának egyik korlátja a bele fecskendezhető hidrogén üzemanyag mennyisége” – mondja Ritchie. „A fúzió korai napjai óta tudjuk, hogy ha megpróbálja növelni az üzemanyag sűrűségét, egy ponton megtörténik az úgynevezett „zavar” – lényegében teljesen elveszíti a határt, és a plazma elmegy. A ’80-as években az emberek megpróbáltak valamiféle törvényt kitalálni, amely megjósolhatná a hidrogén maximális sűrűségét, amelyet egy tokamak belsejébe helyezhet.”

A válasz 1988-ban érkezett meg, amikor Martin Greenwald fúziós tudós közzétett egy híres törvényt, amely az üzemanyag-sűrűséget a kis tokamak sugarához (a fánk belső körének sugarához) és a tokamak belsejében folyó plazmában folyó áramhoz köti. Azóta a „greenwaldi határ” a fúziós kutatás központi tételévé vált; Valójában ezen alapul az ITER tokamak építésére vonatkozó stratégiája.

„Greenwald empirikusan vezette le a törvényt, és ezt teljes egészében onnan kísérleti adatok„Ez nem egy tesztelt elmélet, vagy amit „első elveknek” hívunk” – magyarázza Ritchie. A határ azonban jól működött a kutatás során. És bizonyos esetekben, például a DEMO-nál (az ITER utódja), ez az egyenlet nagyjából egy korlátozza a működését, mert azt írja ki, hogy nem növelheti az üzemanyag intenzitását egy bizonyos szint fölé.

A Swiss Plasma Center a tokamak csapatokkal együttműködve olyan kísérletet tervezett, amelyben a rendkívül fejlett technológia segítségével pontosan szabályozható a tokamakba fecskendezett üzemanyag mennyisége. A hatalmas kísérleteket a világ legnagyobb tokamakjában, a Joint European Tokamak-ban (JET) végezték az Egyesült Királyságban, valamint az ASDEX frissítését Németországban (Max Planck Institute) és az EPFL TCV tokamakját. Ezt a jelentős kísérleti erőfeszítést az EUROfusion Consortium tette lehetővé, amely az európai fúziós kutatást koordináló európai szervezet, amelyben az EPFL jelenleg a németországi Max Planck Plazmafizikai Intézeten keresztül vesz részt.

Ugyanakkor Maurizio Giacomene, Ph.D. Ricci csoportjának egyik diákja elkezdte elemezni a sűrűségkorlátozó fizikai folyamatokat a tokamakokban, hogy levezethessen egy olyan alapelv törvényt, amely összefüggésbe hozhatja az üzemanyagok sűrűségét a tokamak térfogatával. Ennek része a plazma fejlett szimulációja számítógépes modell segítségével.

„A szimulációk a világ legnagyobb számítógépeinek előnyeit használják ki, például azokat, amelyeket a CSCS, a Swiss National Center for Supercomputing és az EUROfusion tette lehetővé” – mondja Ritchie. Szimulációink során azt találtuk, hogy amint több üzemanyagot ad a plazmához, annak egy része a tokamak külső hideg rétegétől, a határtól a mag felé halad, mert a plazma turbulensebbé válik. elektromos rézvezetékek, melyek Hevítéskor ellenállóbbá, a plazma hűtéssel ellenállóbbá válik. Tehát minél több üzemanyagot teszel bele ugyanazon a hőmérsékleten, annak egyes részei lehűlnek – és nehezebben folyik az áram a plazma, ami turbulenciához vezethet.”

Ezt kihívás volt szimulálni. „A folyadék turbulenciája valójában a klasszikus fizika legfontosabb nyitott kérdése” – mondja Ritchie. – De bejött a zűrzavar vérplazma Bonyolultabb, mert elektromágneses mezői is vannak.”

Végül Ritchie és kollégái képesek voltak megfejteni a kódot, és „tollat ​​papírra tettek”, hogy egy új egyenletet származtassanak a tokamak maximális üzemanyagkorlátjáról, amely jól illeszkedik a kísérletekhez. kirakott Fizikai áttekintő levelekigazat tesz Greenwald korlátainak, közel kerülve hozzá, de fontos módokon frissíti azokat.

Az új egyenlet azt feltételezi, hogy a greenwaldi határ megközelítőleg kétszeresére emelhető az ITER-nél az üzemanyag tekintetében; Ez azt jelenti, hogy a tokamakok, mint az ITER, valójában kétszer annyi üzemanyagot tudnak felhasználni plazma előállítására, anélkül, hogy aggódnának a turbulencia miatt. „Ez azért fontos, mert megmutatja, hogy a tokamakban elérhető intenzitás növekszik a futtatáshoz szükséges erővel” – mondja Ritchie. Valójában a DEMO sokkal nagyobb teljesítménnyel fog működni, mint a meglévő tokamak és az ITER, ami azt jelenti, hogy többet is hozzáadhat üzemanyag Sűrűség a termelés korlátozása nélkül, ellentétben Greenwald törvényével. Ez nagyon jó hír.”